滨海矿山深部开采水压—水温—围岩应力监测与突水机理

为保证矿山安全运行,减少突水事故发生,研究滨海矿山深部开采断层破碎区域突水机理。 在三山岛 金矿西山矿区包含 F3 断层区域-760~ -870 m 垂直方向上 5 个不同水平中段安装水压—水温—围岩应力监测计,获 得连续 35 d 水压、水温和围岩应力的现场数据。 借助 FLAC3D 软件模拟开采过程,分析开挖扰动对断层区域突水影响 机理。 结果表明:开采深度增加,水压增大,水的温度升高;垂直深度增加 105 m,水的温度上升 10. 7 ℃ ;距离断层越 近,水压越大,水温度降低;开挖深度增加,围岩应力增大,距离断层越远,围岩应力变大;最大围岩应力 5. 5 MPa,围岩 应力与水压的变化规律一致,监测初期在一定时间内逐渐减小,最后趋于稳定;断层区围岩应力受到开采扰动影响剧 烈,数值明显高于岩层完整区域;巷道顶部和底板的塑性区显著,顶板以剪切破坏为主要形式,巷道两侧帮和底板属 于拉剪破坏,渗流主要发生在巷道的顶板和底板两角处;断层内孔隙水压力变化剧烈,出现急剧减少再快速回升的变 化特征。     

隐伏断层诱发巷道底板突水研究

隐伏断层在掘进扰动和承压水共同作用下可能形成突水通道诱发底板突水。以山西省刘家梁煤矿巷道突水问题为工程背景,以底板含隐伏断层的巷道为研究对象,通过理论分析、岩石力学试验、数值模拟的方法,研究了巷道在掘进过程中,围岩应力场、位移场、塑性区的演化情况。结果表明：随着巷道掘进,隐伏断层顶界面处围岩受应力场影响,由压缩态变为膨胀态;在倾角大于50°的正断层中,小倾角隐伏断层顶界面处围岩受到的剪应力峰值更大,当剪应力达到某一临界值时,断层不断向上活化扩展,最终演化形成沟通底板破坏带的突水通道,且突水通道更易在卸压区底板贯通。     

承压水上含断层煤层开采底板突水规律研究北大核心

在深部煤层开采的过程中,承压水水压以及复杂的构造环境是威胁矿井安全生产的重要因素。为研究承压水上受断层影响下底板的突水规律,基于基本力学原理,建立了承压水上受煤层采动影响的围岩受力力学模型,求解断层突水的临界水压力值;同时,基于控制变量法和流-固耦合理论,运用FLAC3D数值模拟软件,从应力场、位移场、渗流场以及破坏区共同耦合作用的角度出发,分析在断层形态以及承压水压力不同的条件下煤层底板突水规律。结果表明:当工作面回采至断层区域附近时,断层倾角对围岩所受垂直应力的影响较大,倾角由30°变换至60°时,所受垂直应力的平均变化率约为-29%;断层宽度主要影响靠近工作面底部断层处的破坏程度,断层宽度越宽,破坏程度越小;含水层水压对断层中所受的孔隙水压力起主导作用;断层的倾角越大、宽度越小,含水层中承压水水压越高,底板发生突水的危险性越强。     

断层影响下顶板突水特性的数值模拟研究

大量工程实例表明:承压水突出绝大多数是与断层有直接关系.因此,对煤层顶板的变形破坏规律、构造特征以及断层各要素的研究都是防治突水的关键问题.分别建立了含断层与无断层的围岩变形破坏的力学模型,并应用FLAC程序编制了计算程序,运用数值模拟方法深入分析了带压开采中围岩及断层的应力、塑性区分布规律,及孔隙水压分布特征.在一定程度上揭示含断层构造项板突水通道的形成机制.承压水下采煤的数值模拟实验有助于合理留设煤柱宽度、提出合理开采方案,在开采中提高生产效率并避免发生矿井突水事故.     

煤矿底板软硬相间岩层突水的流固耦合分析

叙述煤矿底板软硬相间岩层开采过程中的裂隙发育规律,并分析底板对承压水隔水能力,及在煤层开采过程中底板突水通道变化的规律。运用FLAC3D数值模拟软件中的流固耦合模块,模拟开采过程中底板塑性区、底板压力变化以及动态开采中水流矢量分布。结果表明,随着开采工作面的推进,承压水向采空区渗入在前方煤壁处发生突水,从而为煤矿底板突水的防治提供理论依据。     

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。     

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈"正八字"形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈"倒八字"形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。     

朝川矿一井21070工作面突水原因分析

朝川矿一井水文地质条件复杂,二1煤层安全开采受到底部石炭系太原组薄层灰岩和寒武系灰岩岩溶承压水突水威胁。在二1-21070工作面回采过程中,发生1次底板涌水量为740 m3/h的突水事故。从突水位置及其附近断层、地层结构上看,突水水源可能是石炭寒武系灰岩岩溶水,但通过水质识别、水量和水位动态资料分析,并结合井田水文地质条件综合判断,突水水源实际是小煤窑采空区积水,通过采动裂隙及断层以越流方式间接补给了煤层底板岩溶水。通过采用充填法对小煤窑井口进行处理,并对工作面断层附近底板进行了注浆加固,使二1-21070工作面实现了安全开采。     

底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律研究

为深入研究底板渗流应力耦合破坏与递进导升协同突水演变规律,应用FLAC3D固液耦合模式模拟隐伏断层底板岩体的应力分布、变形破坏特征、递进导升渗流规律及裂隙扩展突水机制.数值模拟表明:在矿山压力和承压水压力影响下,随着工作面开挖,打破原来开挖面周围荷载平衡,底板岩层节理裂隙经历张开、闭合、扩展反复循环过程,当矿压破坏带和...     

基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制

针对董家河煤矿工作面断层突水问题,通过构建工作面微震监测系统,对断层区域底板岩体微破裂信息进行分析,再现了过断层前后底板岩体微破裂萌生演化过程。同时将微破裂信息和岩石破裂过程分析系统RFPA2D结合,研究底板断层围岩导水裂隙带发育过程中应力场的变化规律。结果表明:①根据微震事件分布结果分析,工作面位于断层前方85 m时,底板断层开始发生微破裂。过断层前断层附近底板微破坏深度达到25 m,底板具有分段局部破坏特征;过断层后,最大微破坏深度为35 m,微破裂逐渐贯通。②基于微震能量密度分布结果分析,过断层前高能量密度集中区走向长度约15 m,位于煤层下方5～25 m,而紧邻煤层的5 m范围内的断层仍处于稳定状态。过断层后高能量密度区向上盘采空区及深部扩展,沿工作面走向扩展至上盘采空区约80 m范围内,深度方向扩展至煤层下方约35 m。③基于微震监测和数值模拟结果分析底板岩体破坏过程,将底板突水通道扩展过程分为过断层前和过断层后两个阶段,过断层前煤层下方25 m附近断层围岩首先发生微破裂,并沿断层向上扩展,煤层下方5～25 m发生局部微破裂但并未形成贯通;过断层后微破裂自上而下扩展并逐渐贯通,形成突水通道。④基于数值模拟断层应力演化规律分析,过断层前,断层剪应力为负值且逐渐减小,断层上盘有向下滑移趋势,深度越大剪应力越快达到最大,围岩自下而上发生压剪破坏。工作面位于断层附近时,剪应力方向迅速反转并达到最大,断层上盘在承压水作用下有上升趋势,围岩自上而下发生拉破坏且逐渐贯通形成导水通道。     

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。     

里必井田承压水带压开采评估

煤层底板承压水突出是发生水害事故的原因之一,要减少该类事故的发生,需对底板突水危险性进行准确评价。为保障里必井田承压水带压开采的安全进行,基于煤层底板突水研究理论分析,采用常规突水系数法和等效厚度突水系数法,分别对里必井田内3#煤和15#煤的奥灰水突水危险性进行了研究。研究发现,奥灰水对于3#煤的开采影响不大,但在局部构造及陷落柱发育地段及采区东北部区域仍存在一定的突水可能性;奥灰水对15#煤开采具有较大威胁,大部分区域具有较大突水危险性。等效岩层厚度法计算的突水系数考虑了不同性质岩层的岩石强度和阻水能力,计算更接近生产实际,结果更可靠;且在对突水系数法进一步优化后,其评价的结果可以更精确。     

华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理

通过对华北型煤田大采深高承压水和下组煤开采条件下10起较典型的煤层底板承压突水实例进行深入系统分析,基于时空4维结构概念,首次提出了"分时段分带突破"的煤层底板突水机理。从空间上即上组煤2号主采煤层至煤系基底奥灰强含水层之间,以薄层灰岩含水层为界分4个隔水地质单元,以因采动影响而产生的各种破坏损伤及原始导升裂隙带等按阻水能力为界划分11个阻水"分带",并建构了6种突水模式;从时间上按煤层底板渗水及突水通道形成进程划分4个"时段";在此时空概念基础上运用地质结构力学、水动力学、线性断裂岩石力学和非线性系统动力学等进行了相关实验及综合分析,给出了相应时段的煤层底板突水判据。     

锚杆支护煤巷矿压显现规律

通过对唐山矿区9煤层T2291工作面溜子道实施锚杆支护时,进行全煤巷道的矿压观测,说明了同煤岩层内不同部位处巷道应力的差异和相同巷道应力条件下不同煤岩强度处围岩变形的差异;通过分析,得出9煤层锚杆支护巷道的围岩变形、锚杆受力等情况和矿压显现规律,提出锚杆支护巷道在进行设计及施工方面的指导性意见。     

薛湖煤矿矿井充水主控因素与矿井涌水量预测研究

河南薛湖煤矿在开采过程中受到了水害的影响,为了确保煤矿安全、高效生产,分析了矿井水文地质条件,研究了矿井冲水的主控因素,并对矿井涌水量进行预测计算。研究结果表明,薛湖煤矿矿区发育六大含水层（组）和三大隔水层（组）,煤系地层的二叠系砂岩裂隙含水层是危害矿井生产的主要含水层,随着生产的进行,顶板砂岩水多被疏干,对生产的安全不会造成很大的影响。二2主采煤层的直接充水水源为二叠系二2煤层顶板砂岩裂隙承压水,间接充水水源为二2煤层底板和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水,矿井的自身采空区积水是薛湖矿的充水水源之一。二2煤的导水途径主要有裂隙、断层和封闭不良钻孔3种,高角度正断层可能成为导水通道。越往深部开采水压将会越大,构造和裂隙的发育增加了底板水涌入矿井的危险。选取比拟法和稳定流解析法对采区矿井涌水量进行计算,比拟法计算的全矿井正常涌水量656 m 3/h、最大涌水量787 m 3/h比较符合近年来矿井充水的实际情况,可以作为下一步矿井开采的依据。但随着开采水平的不断延深,太灰岩溶水向矿井突水的概率也将大大提高,若出现短期内多点突水情况,将会超过比拟法预算的最大涌水量。     

多煤层开采合理煤柱尺寸留设研究

针对潘三矿多煤层回采受F24大型逆断层影响,利用FLAC3D研究11煤和13煤留设不同尺寸断层煤柱情况下,采场应力和塑性区演化规律,从而提出合理的断层煤柱留设尺寸。研究发现,随着11煤回采留设煤柱的减小,应力集中逐渐向断层上盘转移,而13煤回采受11煤回采的影响,煤柱的减小使采空区左侧应力集中区域逐渐增大;同时,断层附近塑性区范围逐渐增大并最终与采场塑性区导通,为防止突水事故,确定煤柱留设尺寸分别为40m、60m;现场工程验证该留设尺寸是合理的。     

煤层顶板突水过程模拟分析

为预防煤层开采面临的顶板突水灾害,提高煤层顶板离层水害防治效果。以范各庄煤矿9号煤层突水实例,利用RFPA^2D数值模拟软件,模拟了煤层顶板受采动和围岩应力影响后突水的全过程,分析了范各庄煤矿回采9号煤层时的顶板突水原因。结果表明,范各庄煤矿9号煤层突水是矿山围岩应力、采动影响和含水层水力梯度共同作用的结果,煤层顶板受应力场和渗流场的影响,隔水层中的裂纹逐渐产生、扩展、贯通,直到顶板失稳,并形成导水通道,导致突水灾害发生。     

基于采动和承压水作用下断层突水关键路径的力学分析

 断层突水是煤矿典型的动力灾害,是煤岩体在采动和承压水共同作用下失稳破坏过程。论文针对导水断层缩短了煤层和含水层距离特点,建立了断层突水的关键路径力学模型。将极限平衡理论和尖点突变理论引入断层突水分析,建立了承压水及采动影响下断层突水关键部位失稳破坏模型,获得了断层突水的力学判据,以及防突煤柱预留临界宽度。同时分析了断层参数、煤柱参数对突水条件的影响规律